集群協(xié)同對抗雷達制導(dǎo)導(dǎo)彈方法探索

魏旭鴻,陳舒思

(中國船舶集團有限公司第七○八研究所,上海 200011)

0 引 言

目前國際形勢發(fā)生了巨大變革,海軍存在多樣化建設(shè)的強烈需求,軍用艦船擔(dān)負的任務(wù)類型、任務(wù)規(guī)模與過去存在巨大差別,從單艦船、小規(guī)模、簡單任務(wù)逐漸轉(zhuǎn)向集群化、多節(jié)點、協(xié)同執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)[1];艦船執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)時,需要通過電子對抗等防御手段保障平臺安全:因此,面向集群任務(wù)的電子對抗防御能力建設(shè)也變得愈加重要,成為了影響艦船執(zhí)行任務(wù)效能的重要因素。為了應(yīng)對復(fù)雜耦合的電子對抗防御任務(wù),加強自防御能力,需要在自防御任務(wù)中融合數(shù)字化、信息化管理手段,通過區(qū)域信息共享,合理分配對抗資源,提升集群對來襲目標(biāo)的防御能力。

隨著信息技術(shù)的長足進步,區(qū)域信息共享在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活的方方面面都得到了廣泛的研究和應(yīng)用。電子對抗手段的發(fā)展正適應(yīng)信息化能力的提升,以管理學(xué)、運籌學(xué)、控制論和行為科學(xué)為基礎(chǔ),數(shù)值模擬[2]和信息技術(shù)為手段,為防御決策提供了決策所需要的數(shù)據(jù)、信息和背景資料,幫助防御決策者明確決策目標(biāo),提供各種決策備選方案,并對各種戰(zhàn)術(shù)方案進行評價和選優(yōu),為正確決策提供有益幫助[3]。

艦船電子對抗中常用無源干擾技術(shù)手段對雷達制導(dǎo)導(dǎo)彈進行干擾。隨著艦船任務(wù)系統(tǒng)的復(fù)雜程度逐步升高,如何精準(zhǔn)構(gòu)建以無源干擾手段為主要方式的協(xié)同對抗模型,如何構(gòu)建協(xié)同防御傳遞數(shù)據(jù)信息,并實施戰(zhàn)術(shù)決策以便及時響應(yīng)已經(jīng)成為了嚴(yán)峻的考驗。

本文首先從雷達制導(dǎo)導(dǎo)彈的特性開展分析,結(jié)合一般無源干擾對抗手段,開展單平臺無源干擾原理分析,根據(jù)目標(biāo)特性和干擾原理,衍生出協(xié)同對抗防御的實施思路,對集群協(xié)同模式進行探討。

1 雷達制導(dǎo)導(dǎo)彈搜索跟蹤過程

1.1 雷達制導(dǎo)導(dǎo)彈的搜索跟蹤

雷達導(dǎo)引頭通常有搜索和跟蹤2種狀態(tài)。搜索就是在導(dǎo)引頭發(fā)射電磁波的同時利用雷達天線的掃描在各個距離門內(nèi)以及各個俯仰角和方位角單元進行檢測,一旦檢測到的電平超過門限,就認為發(fā)現(xiàn)目標(biāo)或者開始積累;如果發(fā)現(xiàn)目標(biāo)雷達隨即進入跟蹤狀態(tài),否則就繼續(xù)進行搜索。

雷達進入跟蹤階段后,利用搜索階段獲得的目標(biāo)粗略位置(距離和角度)或者其他信息進行信號和數(shù)據(jù)處理,借以對目標(biāo)信息進行較為精確的測量和跟蹤,實現(xiàn)對目標(biāo)的鎖定。如果雷達在跟蹤狀態(tài)下丟失目標(biāo),則會轉(zhuǎn)入到搜索狀態(tài)重新尋找目標(biāo)。

1.2 雷達制導(dǎo)導(dǎo)彈距離門檢測

在搜索狀態(tài)下,天線系統(tǒng)將不斷調(diào)整天線的指向,在經(jīng)過匹配濾波之后進行檢測。如果未超越門限,則繼續(xù)令天線進行掃描;如果超越門限,則進入積累檢測狀態(tài)。

在積累檢測狀態(tài)下,當(dāng)?shù)竭_一定的脈沖積累數(shù)時,如果超越門限的脈沖數(shù)超過了設(shè)定的二進制檢測門限,則進行距離信息和角度信息的測量,并轉(zhuǎn)入跟蹤狀態(tài)。如果積累失敗,那么重置天線和距離門,重新開始搜索。如果采用的是相參積累,還要在匹配濾波之前或者之后進行多普勒濾波,對進行了多普勒濾波和匹配濾波之后的信號進行積累檢測。一旦檢測到目標(biāo),還要對多普勒信息也就是速度信息進行測量,為跟蹤系統(tǒng)提供初始的目標(biāo)相對雷達運動速度的信息。

在跟蹤狀態(tài)下,每個脈沖的回波信號同樣要經(jīng)過天線接收、射頻濾波、采樣等等步驟,在經(jīng)過匹配濾波(或者還要進行多普勒濾波)之后判斷是否越過門限。如果低于門限的脈沖數(shù)到達一定次數(shù)則認為目標(biāo)丟失,轉(zhuǎn)入搜索狀態(tài)。如果匹配濾波的輸出超越門限,那么對距離誤差信息和角度誤差信息以及速度信息進行測量,并將距離誤差信息送入采樣系統(tǒng),調(diào)整在距離上采樣的起始點,將角度信息送入天線系統(tǒng),以調(diào)整天線從而跟蹤目標(biāo)的角度,并將速度信息傳遞給多普勒濾波器,實現(xiàn)對目標(biāo)相對雷達運動速度的跟蹤。

2 雷達波束覆蓋集群陣型范圍

2.1 雷達波束覆蓋范圍

設(shè)來襲雷達體制目標(biāo)[4]的飛行高度約為h,距離目標(biāo)約R,雷達天線主波束寬度(3 dB處)為θ3 dB,雷達波入射余角為φg,則方位面覆蓋寬度近似為R·θ3 dB,俯仰面覆蓋寬度為R·θ3 dB·cscφg,其中φg=arctan(h/R),雷達波照射海面范圍如圖1所示。

圖1 雷達波束投影示意圖

一般而言φg值較小,故俯仰面覆蓋長度較大而方位面覆蓋較小,雷達波照射到編隊的范圍如圖2所示。

2.2 集群協(xié)同對抗

集群協(xié)同對抗一般包含協(xié)同偵察和協(xié)同干擾2個主要部分。協(xié)同偵察主要實施多平臺、多節(jié)點偵察傳感器的信息融合及綜合處理,通過集群信息共享,形成相對多個獨立偵察傳感器效果更好的偵察效果,提升偵察能力;協(xié)同對抗主要實施集群級別對抗干擾,相比于單平臺只負責(zé)自身對抗干擾的模式,協(xié)同對抗可協(xié)調(diào)減少集群內(nèi)干擾效果沖突,優(yōu)化對抗資源配置。

2.2.1 協(xié)同偵察

集群編隊陣形假設(shè)為密集陣型,當(dāng)編隊中的某一艘艦船被雷達體制目標(biāo)選擇、截獲、跟蹤后,其附近多艘艦船目標(biāo)同樣會被雷達天線主瓣波束照射(如圖2所示),艦船搭載的被動接收傳感器能夠偵測到目標(biāo)雷達信號,甚至在來襲目標(biāo)雷達功率較大的情況下,艦艇平臺偵收到其雷達副瓣波束信號。另一方面,當(dāng)艦船配備主動搜索雷達時,來襲目標(biāo)抵近后,可被多個搜索雷達鎖定。因此,必須將登陸艦艇編隊看成一個有機整體,通過協(xié)同偵察的方式,將集群內(nèi)每艘艦船的雷達偵察信息進行融合處理,從而滿足以下2點要求:

(1) 確定目標(biāo)來襲方向和打擊范圍

通過集群協(xié)同偵察和雷達偵察信息融合處理,可進行去副瓣處理,降低副瓣的影響;可以較為精準(zhǔn)地確定來襲目標(biāo)的方向,同時確定目標(biāo)的打擊范圍,從而為電子干擾提供比較可靠的引導(dǎo)信息。

(2) 降低密集陣形下雷達偵察增批的影響

密集的編隊陣形會導(dǎo)致雷達偵察出現(xiàn)比較嚴(yán)重的增批現(xiàn)象。增批現(xiàn)象主要是由于海面、艦上建筑等多次反射造成,通常在作戰(zhàn)艦艇上也是存在的。增批目標(biāo)信息中,其測角信息通常誤差非常大,甚至是錯誤的,可通過雷達偵察信息和艦載搜索警戒雷達探測信息的融合處理,有效降低增批的影響。

2.2.2 協(xié)同干擾

通過集群協(xié)同偵察,確定目標(biāo)來襲方向和打擊范圍后,艦船可實施干擾決策和干擾釋放。

對于單平臺而言,來襲目標(biāo)的波束范圍、距離波門范圍內(nèi)一般僅存在一艘艦船,因此單平臺以實施自身防御為主。

對于集群而言,當(dāng)集群中的某一艘艦船被雷達體制目標(biāo)跟蹤后,其周圍多艘艦船均會受到雷達波束照射,由于無法判斷集群內(nèi)被跟蹤的具體艦船,所有偵察到雷達波信號的艦船均要求對來襲目標(biāo)實施干擾,避免遭受打擊;同時,集群內(nèi)單艦船對來襲目標(biāo)的干擾引偏還需考慮編隊陣型,要求避免將來襲目標(biāo)引偏到集群內(nèi)其他艦船。綜合上述分析,單平臺對于來襲目標(biāo)的電子對抗防御與集群協(xié)同對抗防御在原理上存在很大的差異。

目前,常用對臨近艦船的雷達制導(dǎo)導(dǎo)彈進行無源干擾的方式為制造干擾物,并實現(xiàn)對來襲目標(biāo)的引偏。

2.3 質(zhì)心干擾原理

導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達的波束寬度決定了探測范圍,最小距離分辨單元決定了導(dǎo)彈發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的分辨能力,如圖3所示。艦艇需向波束范圍內(nèi)與艦艇自身處于相同和相鄰的雷達分辨單元區(qū)域發(fā)射干擾物,形成雷達回波功率比艦艇更強的干擾物,使得來襲目標(biāo)無法區(qū)分目標(biāo)真假,且更傾向于跟蹤回波更強的干擾物。與此同時,艦艇駛離,通過艦船與干擾物整體質(zhì)心偏離艦船質(zhì)心,實施引偏。

圖3 雷達波束寬度和距離分辨單元

根據(jù)雷達原理,為使來襲目標(biāo)無法區(qū)分艦船和干擾物,要求干擾物與艦船處于相同和相鄰的雷達距離分辨單元內(nèi),如圖4所示,一般而言干擾物質(zhì)心與艦船質(zhì)心連線方向與來襲方向垂直時干擾效果最好[5-6]。

艦船在最優(yōu)方向布設(shè)干擾物后,需綜合風(fēng)向、航向等因素駛離當(dāng)前區(qū)域,通過艦船與干擾物整體的質(zhì)心偏離艦船本體的質(zhì)心,引偏來襲目標(biāo)。

3 集群協(xié)同無源干擾雷達制導(dǎo)導(dǎo)彈方法

來襲目標(biāo)搜索時,雷達波可能會照射到編隊內(nèi)所有艦船。在偵收到雷達信號時,應(yīng)確定本艦確實是被跟蹤后再采取干擾措施,并通過集群協(xié)同的方式節(jié)約對抗資源,否則單枚來襲目標(biāo)將耗費集群的全部對抗資源。

根據(jù)雷達波束范圍分析,在來襲目標(biāo)一個雷達波束寬度內(nèi)被跟蹤/照射的編隊內(nèi)艦船數(shù)量有限,因此僅有被跟蹤的艦艇有實施對抗干擾的必要性。

另一方面,集群內(nèi)艦船可能同時觸發(fā)告警并實施干擾,但多艘艦艇在實施對抗干擾時,可能存在互相影響的情況,因此集群內(nèi)的干擾應(yīng)形成統(tǒng)一態(tài)勢,共享來襲目標(biāo)信息,共享集群航行狀態(tài)數(shù)據(jù),綜合處理后形成干擾計劃并統(tǒng)一執(zhí)行[7]。

如果設(shè)置集群集中式指揮,存在2類風(fēng)險:一是集群內(nèi)信息需要有“收集—處理—分發(fā)—確認”的過程,環(huán)節(jié)多且耗時;二是如果集群中心遭遇戰(zhàn)損,則集群失去電子對抗能力,代價較高。因此,考慮采用分布式構(gòu)架,集群內(nèi)通過寬帶組網(wǎng)共享信息,每個艦船節(jié)點自行開展計算,根據(jù)艦船在集群內(nèi)的位置,綜合決策自身無源干擾實施方式,通過各個節(jié)點分布式處理自身信息,執(zhí)行局部干擾,統(tǒng)籌考慮周圍態(tài)勢,最終達到全局干擾的合理解決方案[8]。

假設(shè)有矩形整列集群陣型,當(dāng)雷達制導(dǎo)導(dǎo)彈在跟蹤鎖定艦船方位后,接收到相應(yīng)的雷達回波,通過確定回波的功率大小和時序,來判斷艦船的距離,雷達回波如圖5所示。

圖5 雷達跟蹤期間回波圖

在雷達波束照射范圍內(nèi),假設(shè)存在N艘艦船?？紤]到雷達在搜索跟蹤時,均會在艦船附近進行小范圍搜索,所以在波束內(nèi)N艘艦船同時釋放干擾物時,對位于雷達波束邊沿的相鄰M艘艦船,也需要同時釋放干擾物,如圖6所示。這樣才能確保末制導(dǎo)雷達在干擾后,可以以較大概率最終跟蹤干擾物。

此時,干擾物剛剛釋放,干擾能量較小,所以雷達繼續(xù)跟蹤艦船目標(biāo);當(dāng)干擾物逐漸形成后,很快和艦船目標(biāo)在距離上重合,形成了質(zhì)心干擾,雷達將艦船、干擾物的混合體識別為目標(biāo)進行跟蹤。

隨著艦船運動,干擾物在距離上逐漸與艦船分離。此時由于雷達通過徑向尺寸將回波能量大的目標(biāo)識別為艦船目標(biāo),所以雷達選擇跟蹤干擾物,如圖7所示?；夭芰看蟮母蓴_物完全覆蓋了艦船回波信號。

隨著時間推移,目標(biāo)距離跟蹤目標(biāo)越來越近,雷達波束照射范圍越來越小,雷達波束照射范圍內(nèi)只有干擾物,來襲目標(biāo)將一直穩(wěn)定跟蹤干擾物,直至抵近。

4 結(jié)束語

本文通過分析雷達制導(dǎo)導(dǎo)彈搜索跟蹤過程,論證了目標(biāo)雷達波的照射范圍與特點,根據(jù)典型集群陣型樣式,分析了協(xié)同偵察和協(xié)同探測的必要性。通過對集群對抗協(xié)同對抗方案分析,通過仿真手段,驗證當(dāng)某雷達制導(dǎo)導(dǎo)彈抵近時,有針對性地實施協(xié)同對抗,從而優(yōu)化了對抗資源,同時具備一定的協(xié)同對抗效果。

本文通過集群協(xié)同對抗方法探索,針對典型無源干擾/質(zhì)心干擾手段開展分析,后續(xù)可針對多種干擾樣式與集群多樣化干擾手段配置作進一步分析、驗證、研究,面向未來戰(zhàn)爭需求,繼續(xù)發(fā)揮集群協(xié)同信息優(yōu)勢和決策優(yōu)勢。